tubeira (final)2014-15

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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

Área Departamental de Engenharia Mecânica

Secção de Termofluidos e Energia

TURBOMÁQUINAS

GUIA DE LABORATÓRIO

TURBEIRA

Semestre de Inverno 2011-2012

Docente: Engº. Paulo de Santamaria Gouveia

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Unidade Curricular de Turbomáquinas

Índice

Índice .......................................................................................................................................... 1

1 - Introdução ........................................................................................................................ 2

2 - Descrição do Equipamento .............................................................................................. 3

2.1 - Configuração ............................................................................................................ 3

2.2 - Colocar o Equipamento em Funcionamento ............................................................ 5

2.2.1 - Retirar a Tubagem de Bloqueio ........................................................................ 5

2.2.2 - Montagem e Substituição das Tubeiras ............................................................ 5

2.2.3 - Procedimento para colocar o Equipamento em Funcionamento ...................... 6

2.3 - Desligar o Equipamento ........................................................................................... 6

2.4 - Manutenção .............................................................................................................. 6

3 - Segurança......................................................................................................................... 7

3.1 - Riscos para a saúde .................................................................................................. 7

3.2 - Riscos para o sistema e para o seu funcionamento .................................................. 7

4 - Breve Resumo Teórico .................................................................................................... 8

5 - Modelos de Tubeira ....................................................................................................... 10

6 - Tabelas ........................................................................................................................... 11

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1 - Introdução

Esta experiência tem como objectivo introduzir o estudo do movimento dos fluidos

compressíveis. O comportamento real dos escoamentos compressíveis irá confirmar a teoria

leccionada nas aulas através de meios experimentais proporcinados por três tipos de tubeira

diferentes.

O ensaio é feito com ar comprimido, variando a diferença de pressões com um regulador de

pressão à entrada da tubeira e uma válvula de agulha à saída. A pressão de entrada, a pressão

de saída e as restantes 8 pressões medidas no escoamento são indicadas ao longo do perfil da

tubeira. As temperaturas do ar à entrada e à saída do equipamento são indicadas de forma

digital no painel. O caudal mássico é medido através de um caudalímetro.

Podem ser examinados os seguintes parâmetros:

A relação entre a pressão de entrada e o caudal de ar;

A relação entre a pressão de saída e o caudal de ar;

A distribuição de pressões no interior da tubeira;

O escoamento em tubeiras divergentes:

- Tubeira A: Tubeira Laval Longa (convergente/divergente)

- Tubeira B: Tubeira Laval Curta (convergente/divergente)

O escoamento em tubeiras convergentes:

- Tubeira C: Tubeira Convergente

O efeito na temperatura.

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2 - Descrição do Equipamento

2.1 - Configuração

Figura 2.1 – Painel do dispositivo

1 Ligação de Ar Comprimido 8 Temperatura após Tubeira

2 Regulador da Pressão de Entrada 9 Pressão após Tubeira

3 Tubo flexível 10 Silenciador

4 Manómetros para Pressões na Tubeira 11 Caudalímetro

5 Pressão antes da Tubeira 12 Indicador de Caudal

6 Temperatura antes da Tubeira 13 Válvula de Agulha

7 Tubeira 14 Fonte de Alimentação

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O modelo de instrucção foi concebido como uma unidade de mesa e acomoda várias tubeiras

(7). Este modelo inclui 3 tubeiras.

Para operar com o modelo é necessária uma fonte de alimentação de energia e de ar

comprimido.

A pressão de entrada da tubeira é definida através de um regulador de pressão (2). Na saída, a

pressão é regulada através de uma válvula de agulha (13).

O caudalímetro (11) apresenta uma escala em g/s, em que se pode efectuar uma leitura directa

do caudal mássico.

Durante o ensaio, além da pressão de entrada (5) e de saída (9) da tubeira, são ainda

apresentadas simultaneamente 8 pressões (4) ao longo da tubeira.

Os pontos de medição de pressão são ligados à tubeira através de tubos flexíveis (3).

À entrada e saída da tubeira encontra-se um ponto de medição de temperatura.

As três tubeiras são feitas de bronze.

Figura 2.2 – Esquema HM 261

D Tubeiras (7) Tout Temperatura depois da Tubeira (8)

V1 Regulador de Pressão (2) V2 Válvula de Agulha (15)

Pin Pressão de Entrada (5) F Caudalímetro (12)

Pout Pressão de Saída (6) 1…8 Pressões ao longo da Tubeira (4)

Tin Temperatura antes da Tubeira (6)

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2.2 - Colocar o Equipamento em Funcionamento

2.2.1 - Retirar a Tubagem de Bloqueio

Antes da utilização, é necessário remover a tubagem

de bloqueio preta (1) substituíndo-a com uma das

três tubeiras (A, B ou C).

Figura 2.3 – Tubagem de Bloqueio

2.2.2 - Montagem e Substituição das Tubeiras

Desapertar e remover as porcas de união do bocal. Retirar

cuidadosamente a tubeira ou a tubagem de bloqueio.

Colocar a nova tubeira nas roscas

- Observar a direcção do escoamento (ver seta)

- As vedações/juntas têm de ser inseridas nas partes dianteiras

Fixar a tubeira com as porcas de união

Ligar os cabos flexíveis de medição de pressão. Ligar a

mangueira Nº1 ao bocal mais à esquerda da tubeira. No caso da

tubeira B (com 5 ligações) estar em utilização, algumas ligações

podem ficar abertas/desocupadas.

Figura 2.4 – Modelos das tubeiras Figura 2.5 – Ligações de medição de pressão

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2.2.3 - Procedimento para colocar o Equipamento em Funcionamento

Ligar o equipamento à energia eléctrica;

Inserir a Tubeira;

Estabelecer a ligção de ar comprimido (máx. 9 bar);

Ligar o interruptor principal (Displays da Temperatura começam a piscar);

Através do regulador de pressão vermelho, definir a pressão de entrada (ex. 6 bar) e

monitorizar as pressões utilizando os manómetros;

Utilizando a roda de mão na válvula de agulha, por baixo do caudalímetro, definir a

pressão de saída (ex. 1 bar);

Realizar as devidas leituras e anotar os valores medidos.

2.3 - Desligar o Equipamento

Desligar a ligação de ar comprimido;

Desligar o interruptor principal.

2.4 - Manutenção

O equipamento é em grande parte livre de manutenção. Deve funcionar com ar limpo e seco.

Quando as tubeiras se encontram montadas, deve-se verificar se as juntas não se encontram

danificadas.

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3 - Segurança

Antes de iniciar o ensaio, todos os participantes devem saber como manusear o

dispositivo. É particularmente importante que os avisos de segurança sejam observados.

3.1 - Riscos para a saúde

PERIGO de choque eléctrico!

Desligar o dispositivo da rede eléctrica antes de abrir a caixa de controlo e trabalhar com o

sistema eléctrico.

Desligar o dispositivo da rede eléctrica antes de substituir os fusíveis.

Usar apenas fusíveis apropriados (2 A).

Proteger da água todos os componentes eléctricos do equipamento.

3.2 - Riscos para o sistema e para o seu funcionamento

AVISO! As porcas de união do modelo devem ser apenas apertadas à mão.

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4 - Breve Resumo Teórico

Um escoamento supersónico só pode ser obtido através de uma tubeira Laval. O comprimento

da tubeira corresponde exactamente à pressão de saída necessária, P2. Se a contrapessão P2 se

afastar da pressão de projecto P2a, calculada para o comprimento da tubeira, então o

escoamento não vai ser o pretendido.

a) P1 > P2 >> Pkr

O escoamento é subsónico em toda a tubeira e

assemelha-se ao escoamento num Tubo Venturi, ou

seja, a menor pressão na tubeira encontra-se na menor

secção transversal da mesma. Na secção convergente da

tubeira o escoamento é acelerado, e na secção

divergente o escoamento é desacelerado. O caudal

máximo é entre m=0 e m=max.

b) P1 >> P2 > Pkr

Na secção transversal miníma da tubeira, atinge-se o

escoamento supersónico, no entanto, na secção

divergente a pressão volta a aumentar. No escape da

tubeira, a pressão P2 é maior que a pressão crítica. O

caudal mássico é máximo.

c) P2 = P2a < Pkr

A pressão do escape da tubeira é igual à pressão de projecto da tubeira Laval. Na secção

mais estreita da tubeira atinge-se o escoamento transónico. Na secção subsequente, a

pressão do escoamento decresce para P2a (pressão de saída) e atinge-se o escoamento

supersónico.

Figura 4.1 – Curva de Pressão a),

b) e c)

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d) Pkr > P2 > P2a

A contrapressão P’2 > P2a é atingida antes do fim da

zona divergente. Assim sendo, irá ocorrer uma onda de

choque normal no interior da tubeira. O escoamento

deixa de ser isentrópico. O escoamento separa-se das

paredes da tubeira. A montante da onda de choque

forma-se um escoamento subsónico. A pressão de

descarga fica entre os casos b) e c).

e) Pkr > P2a > P2

A contrapressão não é igual à pressão de saída da

tubeira. O escoamento no interior da tubeira não é

influenciado pela queda de pressão de P2 para P2a, pois

esta queda dá-se no exterior. Esta queda de pressão

provoca uma onda de expansão à saída da tubeira.

Quando a pressão de saída não é a pressão adequada,

ocorrem ondas de choque na secção divergente da

tubeira, dando origem a vibrações no escoamento e que

por sua vez resultam em perdas de energia

consideráveis.

Figura 4.2 – Curva de Pressão

para o cado d)

Figura 4.3 – Curva de Pressão para

o caso e)

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5 - Modelos de Tubeira

Os modelos da tubeira são feitos de bronze. A pressão é medida através de orifícios

distribuídos ao longo da tubeira. A letra D refere-se ao diâmetro da tubeira, e a letra X refere-

se à posição dos orifícios de medição de pressão.

Figura 5.1 – Tubeira A – Laval Convergente / Divergente Longa

Figura 5.2 – Tubeira B – Laval Convergente / Divergente Curta

Figura 5.3 – Tubeira C - Convergente

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6 - Tabelas

Nr.: Pi Pa Tin Tout P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

Pa/Pi ρi ρa m wa Ta

bar bar ºC ºC bar bar bar bar bar bar bar bar kg/m3 kg/m3 kg/s m/s ºC

1

2

3

4

5

6

7

d (mm)

A (mm2)

7 - Conclusões- Desenvolvimento

Analise os resultados com cuidado – comparando o que for comparável – para as várias condições diversas que originaram os

conjuntos de resultados enviados. Teça considerações acerca de como deve evoluir o Escoamento de forma que os resultados obtidos

“façam sentido”(i.é harmonizando os 3 princípios de conservação). Extrapole ou tente recriar as características que teriam de se

observar ao longo da Tubeira, comentando a influência que o ATRITO poderá ter alteração dos resultados (face às previsões “ideais”).

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